智能配水器檢驗裝置及控制系統的設計

劉璐

大慶油田設計院有限公司

油田進入特高含水開發期，油藏關系復雜，層間矛盾加劇。以智能分層注水技術為代表的第四代注水技術，實現了井下參數連續監測和自動測調，測調效率比上一代技術大幅度提高，測調1 口五層分注井可在1 h 內完成，并實現了遠程無線控制，測試工人在辦公室里就可實現對井下參數的監測和調整。同時，智能分層注水技術為油藏動態描述提供了足量、實時的數據，可為油田開發提供可靠的數據支持。隨著油田開發向著數字化、智能化方向發展，智能分層注水技術的規模化應用是必然的趨勢[1-5]。智能配水器是該技術的核心工具，對智能配水器性能指標的準確檢定，可提高智能分層注水工藝技術的可靠性及穩定性，延長井下工具使用壽命。因此，研制一套智能配水器檢驗裝置和控制系統很有必要。

智能配水器的參數檢定主要是檢測流經智能配水器內部流量控制閥水嘴的流量以及水嘴前后的壓力。為模擬智能配水器在井下的工作環境，設計一套試驗井筒模擬井下套管。檢定時，將智能配水器安裝到模擬試驗井筒中，設計管線流程將柱塞泵輸出的帶有壓力的水流導入到被檢測工具內。試驗系統可以改變柱塞泵輸出的流量值和壓力值，并可以對流量參數和壓力參數實時監控。通過電腦操作軟件可以對智能配水器內部流量控制閥進行調節，實現過流面積的大小變化。試驗系統管線中按需要設置流量傳感器和壓力傳感器，數據采集系統采集通過智能配水器內部流量控制閥的流量及水嘴前、后壓力值并傳輸到計算機，進一步繪制成流量數據曲線圖和壓力數據曲線圖。檢定時，對智能配水器自身測量的流量數據和壓力數據與試驗系統測量得到的流量數據和壓力數據進行比較、分析。當智能配水器測量的數據誤差在允許范圍內，則認為智能配水器合格；否則，認為智能配水器存在缺陷，需要檢修。

1 技術指標

根據智能配水器的檢定要求，試驗系統應達到以下技術指標：

（1）注入系統技術指標：為了滿足智能配水器檢定的要求，最大限度模擬智能配水器在井下工作環境，注入系統需提供0～25 MPa 范圍的輸出壓力和0～300 m3/d 范圍的輸出流量。

（2）管線流程技術指標：系統管線流程應具備大于等于300 m3/d 的水流通過能力和大于等于25 MPa 的耐壓能力。管線流程中各控制閥門能夠遠程調節控制。

（3）數據監測技術指標：系統中流量檢測范圍為0～300 m3/d，流量測量不確定度為0.5%；壓力檢測范圍為0～25 MPa，壓力測量不確定度為0.1%。

（4）自動控制及數據采集與處理系統：系統具備壓力、流量等相關參數采集的功能，采集到的數據能夠在線顯示、處理與存儲等。

2 系統基本組成

智能配水器檢驗系統基本構成包括：高低壓并聯注入系統、流量檢測控制管線流程、模擬試驗井筒裝置、液壓系統、電氣控制系統、計算機數據采集與控制系統等各子系統，組成框圖如圖1 所示。

圖1 智能配水器檢測試驗系統構成框圖Fig.1 Composition frame of intelligent water distributor detection and test system

2.1 注入系統

注入系統為智能配水器檢驗裝置及控制系統提供水壓動力，是控制試驗套管內壓力和流量的動力來源，工作介質為清水。為了滿足智能配注工具的調試試驗和井下模擬試驗需求，水壓動力系統提供的壓力范圍為0～25 MPa，流量范圍為0～324 m3/d。其流量范圍和壓力范圍大，如果同時滿足壓力和流量范圍，則對泵要求苛刻。設計系統由兩個流量和壓力都不同的獨立柱塞泵組成，其中高壓小流量泵要求最大流量100 m3/d、工作壓力25 MPa；低壓大流量泵要求最大流量200 m3/d、工作壓力10 MPa，高壓泵和低壓泵可以實現獨立工作或并聯同時工作的要求。經計算，高壓小流量泵電機功率為38.59 kW，低壓大流量泵電機功率為30.79 kW。試壓泵功率系列為22 kW、30 kW、55 kW、75 kW 和90 kW 等，考慮到設備使用安全性和可靠性，高壓泵和低壓泵功率均選用55 kW。

設計采用改變泵工作頻率的方式來控制2 臺柱塞泵輸出的流量和壓力，因此選用變頻器數字遠程控制的方式作為注水泵的控制方式。為防止高壓水回流，在低壓泵泵前設置高壓止回閥，同時對2 臺柱塞泵均設置超壓急停連鎖功能和超壓卸荷功能，防止安全事故的發生。

2.2 管線流程

管線流程是智能配水器檢驗裝置及控制系統實現技術要求和達到技術指標的核心單元。管線流程包含了承壓25 MPa 的高壓管線、電控液驅高壓控制閥、流量和壓力檢測儀表等，管線全部為無縫不銹鋼管，管線通過流量在300 m3/d 以上，正常工作壓力范圍為0～25 MPa，管線全程有防震功能。管線具有雙向壓力、流量切換流程，管線具有旁通流程，防止憋泵事故發生。背壓流程有壓力表和電控閥控制回壓[6]。管線流程如圖2 所示。

圖2 管線流程Fig.2 Pipeline process

由于試驗系統管線流程內流量范圍大，精確測量困難，所以設計采用雙支路為系統供水：大流量支路和小流量支路分段注水和測量。設計了旁通回液管線，提高對管線內流量調節控制的精度。同時根據測量與控制的需要，在管線各重要節點設置壓力傳感器和電磁流量計。通過控制液驅開關閥，實現管線流程的改變，為智能配水器調試試驗、模擬井筒正向注水和反向注水提供控制手段。背壓閥安裝在管線的回液管線上，實現背壓大小的調節，以模擬智能配水器在井下工作時地層壓力變化的實驗環境。管線中的流量范圍達到0～300 m3/d，為達到測量不確定度的要求，設計分段測量管線中的流量。小流量支路的流量在滿足測量不確定度的情況下的測量范圍為1.92～48 m3/d，大流量支路的流量在滿足測量不確定度的情況下的測量范圍為38.4～480 m3/d。檢定過程中，技術人員根據智能配水器的流量檢測范圍來切換流量支路。

2.3 模擬試驗井筒裝置

模擬試驗井筒裝置結構原理如圖3 所示。對模擬井筒進行有限元分析，在井筒內部加載25 MPa的均勻載荷，通過云圖分析得出，模擬試驗井筒材料采用屈服強度255 MPa 的45 號鋼，井筒壁厚7.72 mm，內通徑124.3 mm，井筒整體承壓可以達到50 MPa 以上。模擬試驗井筒端部結構設計成半環臺肩轉動式密封套和密封頭配合的形式，能夠實現快速安裝和拆卸，井口的連接快速方便[7]。模擬試驗井筒上端和下端分別設置電控液驅高壓開關閥，上端與進液流量測試流程連接，下端與回液背壓流程連接。通過控制調節上端進液閥可以實現中心管進水，通過控制調節下端出液閥可以實現下端出口回液。進液口和出液口分別安裝流量計和壓力計，用于采集智能配水器檢驗過程中井筒中的流量和壓力值。

圖3 模擬試驗井筒裝置結構Fig.3 Structure of simulated test wellbore device

2.4 液壓系統

液壓系統的功能是按照控制指令，提供液壓動力源，通過電控液壓閥的操作控制，實現流程的改變。液壓系統主要由液壓動力源、開關閥和旁通閥組成。液壓動力源單元組成包括：液壓油泵電機組、液壓油箱、濾油器、蓄能器、壓力表、壓力傳感器、溫度傳感器和電磁溢流閥以及輔助元件等組成。系統流程上所有涉及流量控制的閥門均為電控液壓驅動的高壓控制閥。

2.5 電氣控制系統

系統中需要測量的參數主要是流量和壓力。選擇電磁流量計來監測管路流量，其中，大流量管線注水入口處選擇用直徑32 mm、額定工作壓力25 MPa 的流量計；小流量注水入口處選擇用直徑10 mm、額定工作壓力25 MPa 的流量計；背壓閥后選擇用直徑32 mm、額定工作壓力4 MPa 的流量計。選擇量程為25 MPa 的CYB-20S 型壓力計測量水循環系統的壓力；選擇量程為30 MPa 的DG1300型壓力計測量液壓系統的壓力。

3 控制系統設計

3.1 數據采集與控制系統

數據采集與控制系統數據采集與控制方案如圖4 所示，具有數據采集、數據在線顯示與處理、實驗結果成圖等功能。數據采集系統可以實現對管線中各處流量和壓力數據的實時采集，采集到的數據包括：支路1 流量、支路2 流量、旁通流量、回液流量、泵出口壓力、模擬井筒入口壓力、模擬井筒出口壓力和旁通閥開度等。采用可編程邏輯控制器（PLC）作為數據采集與控制系統的下位機，通過EM231 模塊實現上述數據信號的采集，系統根據采集到的數據進行邏輯控制。在計算機操作界面中發送相應的控制指令，就可實現對該項系統的遠程操控。采用工程模塊分析方式和面向對象的編程方法進行編程，可采集壓力、流量等相關參數并繪制圖像。試驗數據由計算機程序記錄并處理，數據（壓力、注入參數、采出液、圖像處理等）采集后，能通過多種形式在計算機上顯示（實時數據、曲線），并存儲和彩色打印實驗成果。

圖4 計算機數據采集與控制系統構成Fig.4 Composition of computer data acquisition and control system

3.2 PLC 控制

系統數字輸入點數30 個、數字輸出點數16個、模擬量輸入點數9 個、模擬量輸出點3 個。根據上述數據采集與控制系統點數和控制的要求，控制單元選用西門子CPU224xp，數據采集單元選用EM231 和EM232 組成。采集與控制系統利用PLC模塊，通過壓力傳感器、流量計對試驗系統的壓力和流量信息進行采集，并根據采集到的數據對系統的試驗壓力和狀態進行相應的控制，能夠實現自動和手動控制壓力，同時完成超壓、超流量報警及保護功能。PLC 接收數字量指令是利用CPU 和EM232模塊的輸入端，同時控制輸出指令是利用CPU 和EM232 模塊的輸出端。液壓系統壓力數據和變頻數據的采集通過EM231 模塊實現[8]。

3.3 組態監控界面設計

智能配水器檢驗裝置及控制系統組態界面如圖5所示。高壓泵轉速設置和低壓泵轉速設置窗口可以設置高壓泵和低壓泵的工作轉速。旁通流量設置和背壓壓力設置窗口可以設置旁通流量和背壓壓力。各個參數顯示框可以顯示液壓系統壓力、液壓系統溫度、泵出口匯管壓力、流量、試驗入口壓力、試驗出口壓力、背壓回路流量、旁通流量。各個按鈕可以實現柱塞泵啟動、停止，液壓泵啟動、停止，閥啟動、關閉。監控界面可顯示管線流體流動狀態以及各泵、閥開關狀態[9-10]。

圖5 智能配水器檢驗系統組態監控界面Fig.5 Configuration monitoring interface of intelligent water distributor inspection system

4 系統試驗

4.1 流量控制試驗

流量控制試驗操作步驟：檢查管線通暢→檢查控制單元有效→開啟液壓系統→調整管線流程→開啟水壓動力系統→調節旁通調節閥或調節變頻器輸出頻率→數據采集與記錄。按上述流程進行流量控制試驗得到大流量控制試驗曲線和小流量控制試驗曲線，大流量試驗控制曲線由大流量泵和小流量泵同時工作得到（圖6），由高壓小流量泵工作得到的控制試驗曲線如圖7 所示。由圖6～7 可知，系統工作回路的流量控制范圍在0～324 m3/d，流量控制精度均在±2% 以內，滿足技術要求。

圖6 大流量控制試驗曲線Fig.6 Test curve of large flow control

圖7 小流量控制試驗曲線Fig.7 Test curve of small flow control

從大流量控制曲線（圖6）可以看出，系統回路的流量達到300 m3/d 時，流量值可以保持穩定。當調高泵的運行頻率至50 Hz 時，系統回路的流量值可以達到352 m3/d 并保持穩定。但從曲線中也可以看出，當系統回路剛到達最大流量時，流量曲線有波動。分析認為，這是由于泵的頻率升高造成系統回路內水流湍流等因素造成的。從小流量控制曲線（圖7）可以看出，當試驗環境需要較小流量時，啟動高壓小流量泵并配合將旁通調節閥，將旁通調節閥開度調到20 mm，設置泵運行頻率為4.8 Hz，系統回路流量穩定在20 m3/d。提高泵運行頻率至7.9 Hz 時，系統回路內的流量值升高并出現峰值，隨后流量值穩定在40 m3/h。由流量控制試驗可以驗證，通過控制泵運行頻率和調節旁通閥的方法來調節系統回路內流量的方法可行。

4.2 壓力控制試驗

壓力控制試驗操作步驟: 設定液壓系統壓力后啟動液壓泵，關閉流量回路控制閥，調節背壓閥的開度，啟動高壓泵，逐漸提升泵的工作頻率，當管線流程壓力升至25 MPa，逐漸降低泵的工作頻率，直到壓力為零停止。試驗曲線如圖8 所示。

圖8 壓力控制試驗曲線Fig.8 Test curve of pressure control

從管線內水壓控制曲線（圖8）可以看出，當調節泵的工作頻率來調節系統回路內壓力時，壓力控制的響應速度快，壓力值波動小。由壓力控制試驗可以驗證，在0～25 MPa 壓力范圍內，可以通過調節泵的工作頻率和液壓系統控制背壓閥來進行系統管線內的壓力控制。

5 結論

智能配水器檢驗裝置及控制系統能夠模擬現場實際工況，實現對智能配水器的室內測試及檢驗，直觀評價工具在井下的工作性能，并實現對智能配水器流量計的在線檢定，可實現為智能配水器調試、流場試驗(閥不同開度、壓差等控制測試)、流量檢定、壓力檢定等綜合功能的指標測試，達到了設計要求。